《深入理解计算机系统》Tiny服务器2——多进程版和selectIO复用版Tiny

　　在上个博客中，我们根据csapp里的源码实现了一个小型的web服务器Tiny，通过在浏览器地址栏输入本机地址和所设置的端口号，我们可以访问到静态网页和动态的CGI程序。但我们之前的那个Tiny存在一个很大的问题，那就是每次只能接受一个请求，这在实际的服务器里肯定是不存在的。所以，这次我们就来把Tiny改为支持多个访问的并发服务器。
　　实现并发服务器程序一般有三种方法：
　　1) 利用多进程。

　　当监听套接字收到来自浏览器的连接请求之后，通过调用fork()函数，产生一个子进程。在子进程中，进行与浏览器的交互。这种方式的优点就是实现起来很简单，缺点也很明显，由于fork()子进程和进程上下文切换需要移动相当多的资源，造成多进程的程序效率不高。
　　2) 利用IO复用。

　　IO复用就是由服务器维护一个客户端池，其中存放着服务器的监听套接字和已连接的客户端文件描述符。服务器通过调用select()，poll()或者epoll()来观察哪些套接字或文件描述符发生了响应。举例来说就是，有外来客户端发来connect()连接请求时，监听套接字就进行响应;当已连接的客户端发来请求报文时，相对应的客户端文件描述符会进行响应。之后就是对满足响应条件的套接字或描述符进行相应的处理。如果有新的客户端发送了连接请求，就调用accept()函数，与之建立连接，同时将新建立的与客户端相连的连接文件描述符放入客户端池;如果是已连接的客户端发来请求报文，请求访问静态或动态数据，就进行数据的处理和发送。IO复用的缺点也很明显，在三种并发模型里是最复杂的一种。其优点是效率最高，在现在的主流商业服务器中，都是采用的IO多路复用技术。
　　3) 利用多线程。

　　通过调用子线程来进行与客户端的数据传递，多线程技术像是上述两种方案的综合。由于线程比进程的资源占用小，上下文切换快，使得多线程技术无论在复杂度上还是效率上都是中等的水平。
  　 这篇博客就从这三种并发模型来进行Tiny的改进。

（1） 多进程版Tiny:

　　首先我们先来最简单的多进程服务器模型。由于和源代码差别不大，这里我们只把需要改变的几句代码贴出来。

while (1) {
        clientlen = sizeof(clientaddr);
        connfd = accept(listenfd, (SA*)&clientaddr, &clientlen);
        getnameinfo((SA*) &clientaddr, clientlen, hostname, MAXLINE,
                port, MAXLINE, 0);
        if (fork() == 0)
        {
            close(listenfd);
            doit((void *)&connfd);
            close(connfd);
            exit(0);
        }
        close(connfd);
        printf("Accepted connection from (%s, %s)\n", hostname, port);
    }

　　这里需要注意，在我们这个web服务器中，子进程先于父进程结束，这样子进程就形成了“僵尸进程”。设置这种状态的目的是维护子进程的信息，以便父进程在以后的某个时候获取。但这里，我们不需要获取子进程的信息，为了避免僵尸子进程消耗资源，我们可以通过信号来及时回收它们。如下代码所示：

void sig_chld(int signo)
{
    pid_t pid;
    int stat;

    while ( (pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0)
        printf("child %d terminated\n", pid);
    return;
}

    注意这里使用的是waitpid()函数，而不是wait()函数。因为信号是不排队的，可能有多个同时到达，但只会提示一次，所以这里使用while循环，确保将全部的信号处理完。只是多了这么几行代码，原来的Tiny服务器就变成了支持并发访问的进阶版服务器了。

(2) IO多路复用版Tiny
    接下来，我们进行IO多路复用的服务器实现。连续几个小时用gdb调试这个服务器，我只能说真的很酸爽。。这里我们采用select()函数，因为我个人习惯使用select()函数，其他两个poll()和epoll()在实现上有些差别，但在思想上和select()是一样的。由于IO复用改变的地方稍多一些，所以我把main()函数和doit()函数都贴出来。其中前边带红色+的代码段为改进的部分。

int main(int argc, char *argv[])
{
    int listenfd, connfd;
    char hostname[MAXLINE], port[MAXLINE];
    socklen_t clientlen;
    struct sockaddr_storage clientaddr;
    int err, maxfd, i, num;
    fd_set read_set, ready_set;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "usage: %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    listenfd = open_listenfd(argv[1]);
+    FD_ZERO(&read_set);                  //初始化read_set                                           　　
+    FD_SET(listenfd, &read_set);　　　　　//将listenfd添加到read_set　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
+    maxfd = listenfd;　　　 　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 
    
    printf("listenfd = %d\n", listenfd);

    while (1) {
+        ready_set = read_set;           //因为select()会改变其中set集合，所以这里用一个read_set的拷贝                                             
+        num = select(maxfd+1, &ready_set, NULL, NULL, NULL);                       
+        if (num == -1)
+        {
+            fprintf(stderr, "select error\n");
+            exit(1);
+        }
+        else if (num == 0)             //没有已准备好读取的文件描述符
+            continue;

+       for (i = 0 ; i <= maxfd; i++)
+        {
+            if (FD_ISSET(i, &ready_set))
+            {
+                if (i == listenfd)       //有新的客户端发来连接请求
+                {    
+                    clientlen = sizeof(clientaddr);
+                    connfd = accept(listenfd, (SA*)&clientaddr, &clientlen);                    
+                    getnameinfo((SA*) &clientaddr, clientlen, hostname, MAXLINE, port, MAXLINE, 0);
+                    printf("Accepted connection from (%s, %s)\n", hostname, port);
+                    printf("connfd = %d\n", connfd);
+                    FD_SET(connfd, &read_set);
+                    if (connfd > maxfd)
+                        maxfd = connfd;
+                }
                else                   //访问数据请求
                {
                    printf("message from connfd\n");
                    doit((void *)&connfd, &read_set);
                }
            }
        }
    }
}

　　因为第一次忘记了将已关闭的文件描述符从read_set清除掉，害得我从头到尾调试了好几遍，在这里也提醒一个大家。
　　在csapp第12章并发编程里介绍了以IO多路复用为基础的基于事件驱动的一个连接池框架。主要代码如下，其中check_clients()函数是与业务处理相联系的，这里我们把它稍加改动，使其可以应用于我们这个并发服务器的业务场景。

typedef struct { //Represents a pool of connected descriptors
    int maxfd;   //Largest descriptor in read_set
    fd_set read_set; //Set of all active descriptors
    fd_set ready_set; //Subset of descriptors ready for reading
    int nready; //Number of ready descriptors from select
    int maxi; //High water index into client array
    int clientfd[FD_SETSIZE]; //Set of active descriptors
    rio_t clientrio[FD_SETSIZE]; // Set of active read buffers
} pool;

void init_pool(int listenfd, pool *p)
{//初始化客户端池
    int i;
    p->maxi = -1;
    for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)
        p->clientfd[i] = -1;
    //Initially, listenfd is only member of select read set
    p->maxfd = listenfd;
    p->nready = 0;
    FD_ZERO(&p->read_set);
    FD_SET(listenfd, &p->read_set);
}

void add_client(int connfd, pool *p)
{//添加一个新的客户端到活动客户端池
    int i;
    p->nready--;
    for (i = 0; i < FD_SETSIZE; i++)   //Find an acailable slot
        if (p->clientfd[i] < 0) {
            //Add connected descriptor to the pool
            p->clientfd[i] = connfd;
            rio_readinitb(&p->clientrio[i], connfd);

            //Add the descriptor to descriptor set
            FD_SET(connfd, &p->read_set);

            //Update max descriptor and pool high water mark
            if (connfd > p->maxfd)
                p->maxfd = connfd;
            if (i > p->maxi)
                p->maxi = i;
            break;
        }
        if (i == FD_SETSIZE) //Couldnot find an empty slot
            fprintf(stderr, "add_client error: Too many clients\n");
}

void check_clients(pool *p)
{
    int i, connfd, n;
    rio_t rio;

    for (i = 0; (i <= p->maxi) && (p->nready > 0); i++) {
        connfd = p->clientfd[i];
        rio = p->clientrio[i];

        //If the descriptor is ready, doit
        if ((connfd > 0) && (FD_ISSET(connfd, &p->ready_set))) {
            p->nready--;
            doit((void *)&connfd, p);
        }//请求处理完毕之后的清理工作
        close(connfd);
        FD_CLR(connfd, &p->read_set);
        p->clientfd[i] = -1;
    }
}

 　　接下来，我们准备实现基于poll()函数的连接池框架和多线程版本的Tiny服务器。